ساخت و مشخصه¬یابی سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل کلسیم فسفات-فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم برای پرکردن عیوب استخوانی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Calcium phosphate cement possesses wide application as degradable and injectable biomaterial. In spite of suitable biocompatibility of calcium phosphate bone cements, they have issues consisting of shortage of macropores and low mechanical strength leading to the restriction in their applications. The aim of present study was to fabricate and characterize porous nanocomposite cement of calcium phosphate–forsterite modified with Strontium(Sr). In this regard, forsterite nanopowder containing 0, 0.05, 0.1, 0.2 and 0.4 at.% Sr was firstly synthesized by sol-gel method and evaluated using X-ray diffraction, scanning electron microscope, transmission electron microscope and Fourier transform infrared spectroscopy. Moreover, bioactivity of Sr-modified forsterite was assessed using soaking in simulated body fluid (SBF). Furthermore, the effect of Sr content on the MG63 cells behavior was assessed. Then, calcium phosphate cement (CPC) based on nanometric ?-TCP (98 wt.%) and hydroxyapatite (2 wt.%) as powder phase and 2.5 wt.% Na 2 HCO 3 aqueous solution as liquid phase was prepared and characterized. In order to improve mechanical strength of calcium phosphate cement, various amounts of optimized Sr-modified forsterite (0.5, 1, 2 and 3 wt.%) were added to CPC and characterized. In this regard, the effect of Sr-modified forsterite nanopowder on mechanical strength, injectability, and setting time of nanocomposite cements were investigated. After optimization of Sr-modified forsterite content, porous nanocomposite CPC of was fabricated by using foaming agent and the effect of foaming agent on mechanical, structural and biological properties was evaluated. Results demonstrated that while forsterite was the main phase of Sr-modified forsterite nanopowder, the second phased could be detected when Sr content enhanced upon 0.2 at.%. Moreover, the presence of Sr atoms influenced the crystallite and particle size as well as lattice parameters of forsterite, while did not significantly change the morphology of powders. Noticeably, the incorporation of Sr element upon 0.2 at.% enhanced the average crystallite size of forsterite from 31± 3.9 nm to 62.9± 11.8 nm. In vitro bioactivity assessment in SBF revealed that while all Sr-modified forsterite powders revealed greater bioactivity than pure forsterite nanopowder, the incorporation of 0.1 at.% Sr revealed improved bioactivity compared to other Sr-modified samples. Moreover, while all forsterite based nanopowders did not revealed any cytotoxicity result, Sr-modified forsterite containing 0.05-0.1 at.% Sr revealed significantly promoted cell proliferation. Moreover, incorporation of 1 wt.% Sr-modified forsterite to CPC led to enhance in compression strength (1.45 times) and elastic modulus (2.87 times) in comparison with free-forsterite CPC. Additionally, the presence of Sr-modified forsterite nanoparticles resulted in decrease in initial setting time of cement from 23.8±5.5 min to10.7±1.5 min. Since foaming agent was added to powder phase of cement containing 1wt.% Sr-modified forsterite nanoparticles, porous nanocomposite cement consisting of 50.5± 6.5 % macroporosity was fabricated. By introducing macroporosity in cement, compressive strength and elastic modulus were obtained 4.9±0.6 MPa and 0.5±0.1 GPa, respectively where were higher than those of in porous free-forsterite CPC with compression strength 1.3±0.2 MPa and elastic modulus 0.1±0.02 GPa. On the other hand, cell culture results confirmed that the proliferation and spreading of MG63 cells on nanocomposite and porous nanocomposite cements were improved compared to those in free-forsterite CPC. Based on the findings, it seems that porous nanocomposite of calcium phosphate –Sr-modified forsterite could be a suitable bone filler. Key words: bone tissue engineering, calcium phosphate cement, forsterite nanoparticles, strontium, mechanical properties and biocompatibility.

سیمان های کلسیم فسفاتی کاربردهای وسیعی را به عنوان مواد زیست تخریب پذیر تزریق پذیر دارند. با وجود زیست سازگاری بالای سیمان های کلسیم فسفاتی، آن ها دارای مشکلاتی از جمله عدم دارا بودن ماکروحفرات و استحکام مکانیکی کم هستند که سبب ایجاد محدودیت هایی در کاربرد این دسته از مواد می شود. هدف از پژوهش حاضر، ساخت سیمان استخوان متخلخل نانوکامپوزیتی کلسیم فسفات- فورستریت اصلاح شده با استرانسیم و مشخصه یابی آن است. در این راستا، ابتدا نانوپودر فورستریت حاوی 0، 05 / 0، 1 / 0، 2 / .0 و 4 / 0 درصد اتمی استرانسیوم به روش سل- ژل سنتز شد و با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری و طیف سنجی فروسرخ با تبدیل فوریه مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین، زیست فعالی نانوپودرهای فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم از طریق غوطه وری در محلول شبیه سازی شده بدن ارزیابی شد. علاوه بر این، تاثیر مقدار استرانسیوم موجود در فورستریت بر رفتار سلول های MG63 بررسی شد. در ادامه، سیمان کلسیم فسفات بر پایه پیش‌سازهای آلفا‌تری کلسیم فسفات نانومتری (98 درصد وزنی) و هیدروکسی‌آپاتیت نانومتری (2 درصد وزنی) به‌عنوان فاز پودری و محلول آبی 5 / 2‌ درصد دی‌سدیم‌هیدروژن‌ فسفات به‌عنوان فاز مایع، تهیه و مشخصه یابی شد. به منظور بهبود خواص مکانیکی سیمان‌های کلسیم فسفات، مقادیر مختلفی از نانوذرات فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم بهینه (5 / 0، 1، 2 و 3 درصد وزنی) به سیمان‌ کلسیم فسفانی افزوده و مشخصه یابی شد. در ادامه، تاثیر نانو ذرات بر خواص مکانیکی، تزریق پذیری و زمان گیرش سیمان نانوکامپوزیتی بررسی شد. بعد از تعیین سیمان نانوکامپوزیتی بهینه، سیمان نانوکامپوزیت متخلخل کلسیم فسفات-فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم با استفاده از مقادیر مختلفی از عامل فوم‌ساز بی کربنات سدیم ساخته شد و تاثیر مقدار عامل فوم ساز بر خواص مکانیکی، ساختاری و زیستی سیمان مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در حالی که فورستریت فاز اصلی در کلیه پودرهای اصلاح شده با استرانسیوم بود، فازهای ثانویه ای حاوی استرانسیوم در مقادیر بالای استرانسیوم (بالاتر از 2 / 0 درصد اتمی) مشاهده شد. بر مبنای مقدار استرانسیوم وارد شده، اندازه ذرات، اندازه بلورک ها و پارامترهای شبکه فورستریت تغییر کرد، بدون آن که مورفولوژی آنها تغییر کند. به عنوان مثال، اضافه شدن 2 / 0 درصد اتمی استرانسیوم سبب افزایش اندازه ذرات از 9 / 3±31 نانومتر به 8 / 11±9 / 62 نانومتر شد. نتایج ارزیابی زیست فعالی نشان داد که در حالی که همه نانوپودرهای فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم زیست فعالی بالاتری در مقایسه با فورستریت دارند، اضافه شدن 1 / 0 درصد اتمی فورستریت زیست فعالی بالاتری را در مقایسه با سایر پودرها نشان داد. بر اساس آزمون ارزیابی سمیت سلولی، در حالی که پودرها هیچ گونه سمیتی از خود نشان ندادند، پودرهای فورستریت اصلاح شده با 05 / 0-1 / 0درصد اتمی استرانسیوم سبب افزایش قابل توجه رشد و تکثیر سلولی در مقایسه با سلول کشت شده در سطح پلیت شدند. همچنین، افزودن یک درصد وزنی فورستریت اصلاح شده با 1 / 0 درصد اتمی استرانسیوم به سیمان کلسیم فسفات سبب افزایش 45 / 1 برابری استحکام فشاری و 87 / 2 برابری ضریب کشسانی نسبت به سیمان خالص شد. علاوه بر این، حضور نانو ذرات سبب کاهش زمان اولیه سفت شدن سیمان از 49 / 5±8 / 23 دقیقه به 53 / 1±66 / 10 دقیقه شد. با افزودن عامل تخلخل‌زا به فاز پودری سیمان حاوی یک درصد وزنی نانوذره، سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل حاوی 5 / 6±5 / 50 درصد ماکروتخلخل ایجاد شد. در حضور ماکروتخلخل ها بیشترین استحکام فشاری 6 / 0±9 / 4 مگا پاسکال و ضریب کشسانی 09 / 0±48 / 0 گیگا پاسکال بدست آمد که نسبت به سیمان نانوکامپوزیتی بدون تخلخل کاهش 65 / 5 برابری در استحکام فشاری و 02 / 3 برابری در ضریب کشسانی مشاهده شد. اما همچنان در مقایسه با سیمان کلسیم فسفات متخلخل که دارای استحکام فشاری 2 / 0±3 / 1 مگا پاسکال و ضریب کشسانی 02 / 0±1 / 0 گیگاپاسکال بود، دارای خواص مکانیکی بالاتر بود. نتایج حاصل ازآزمون کشت سلولی با استفاده از سلول های MG63 بر روی نمونه‌های سیمان نانوکامپوزیتی و سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل نشان داد که سلول ها در حضور نانوذره قابلیت تکثیر، چسبندگی و رشد بهتری نسبت به نمونه های سیمانی بدون نانوذره داشتند. بر اساس این نتایج، به نظر می رسد سیمان نانوکامپوزیتی متخلخل کلسیم فسفات-فورستریت اصلاح شده با استرانسیوم می تواند گزینه مناسبی برای کاربردهای مهندسی بافت استخوان باشد. کلمات کلیدی : مهندسی بافت استخوان، سیمان کلسیم فسفات متخلخل ، فورستریت، استرانسیوم، خواص مکانیکی، زیست سازگاری.